1、第二节：测试系统的噪声,主要内容： 一、噪声基本特性 二、掌握主要噪声的产生机理及在各种器件中的分布情况 三、等效输入噪声参数的计算和测量 四、多级放大器的噪声设计原则（定性掌握，不要求推导）,噪声:测试系统内部由器件、材料、部件的物理因素产生的自然扰动（电压或电流）,噪声的一些基本特性： 噪声是电路内固有的，不能用接地或屏蔽等方式消除 内部噪声成为测量精度的限制性因素 各种生物电放大器输入端短路噪声限制了放大器能够检测的最小生物电信号,一、噪声的一般性质噪声电压或噪声电流是随机的，噪声的随机过程不可能用一个确定的时间函数来描述，不能准确地预测未来某时刻的噪声电压的幅度或波形。但是它服从于一定
2、的统计规律，能通过表示噪声过程的概率密度P（u)而得知噪声电压落在某一范围内的概率。,随机噪声为一平稳随机过程，概率密度与时间t无关，在生物医学电子学中，最常遇到的噪声源一热噪声和散粒噪声，其噪声电压u(t)（或噪声电流）的概率密度服高斯（正态）分布。,噪声大小是用噪声电压（电流）的均方根值表示，而噪声波形并不是正弦波，是由大量尖脉冲组成，噪声电压均方根值是峰值的0.798倍。,噪声服从一定的统计规律，无法用频谱描述，而用功率谱表示它的频域特性。噪声电压（或噪声电流）的均方值是它在一欧姆电阻上产生的平均功率。此功率是各频率分量功率之和 S（f)为功率谱密度，它表示单位频带内噪声功率随频率的变化
3、。噪声功率谱密度曲线所覆盖的面积在数值上等于噪声的总功率。,如果在很宽的频率范围内，噪声具有恒定的功率谱密度，即S(f)为一常数，那么这种噪声称为白噪声，如图中a段所示。如果噪声的功率谱密度不是常数，则称之为有色噪声，图中b段为低频（1/f)噪声，它的谱密度随频率减小而上升，称之为粉红色噪声、图中c段的噪声谱密度随频率升高而增加，称之为蓝噪声。,白噪声,（1/f)噪声,蓝噪声,噪声的基本特性可以用统计平均量来描述，均方值表示噪声的强度，概率密度表示噪声在幅度域里的分布密度，功率谱密度表示噪声在频域里的特性。,两种噪声作用于系统时，设噪声电压均方值分别为U12和U22,总噪声均方电压U2 为,二
4、、生物医学测量系统中的主要噪声类型,(一）1/f噪声（低频噪声）(Low Frequency Noise) 定义及特性：1f噪声功率谱密度服从1f规律，f为频率，是取值范围为0.8-1.3的常数，通常取1。这种噪声，其噪声电压随频率的降低而增加。,由f1-f2带宽内噪声的平均功率得到相应此频段内噪声电压均方值为,产生机理： 凡两种材料之间不完全接触，形成起伏的导电率便产生1/f噪声。它发生在两个导体连接的地方，如开关、继电器或晶体管、二极管的不良接触，以及电流流过合成碳质电阻的不连续介质等。各有源器件在制作工艺过程中，材料表面特性及半导体器件中结点中的缺陷等，是1/f 噪声的主要成因。,特点：
5、 集成运算放大器件，由于设计上的限制，1/f噪声常常远高于分立元件。不仅晶体管、运放器件和电阻中存在1/f噪声，而且在热敏电阻、光源中也有。,减小低频噪声措施,1、在噪声性能要求高的放大器中尽量使用分立元件 2、尽量使用金属膜电阻而不使用碳膜、水泥等有不连续介质的电阻,(二)热噪声(Heat Noise) 热噪声是由导体中载流子的随机热运动引起的。任何处于绝对零度以上的导体中，电子都在作随机热运动。,电阻R中的热噪声电压均方值Ut2为 其中k为波尔兹曼常数：1.3810-23JK；T为绝对温度（K）；f为测量系统的频带宽度(Hz）。,热噪声的谱密度S(f)为 S(f)=4kTR可见热噪声的谱密
6、度与工作频率f无关，属于白噪声。,热噪声特性： 热噪声电压均方值与绝对温度T成正比，温度越高，导体内自由电子的热运动越激烈，噪声电压就越高，温度降低，可以消弱热噪声。热噪声电压还与工作频带成正比，与电阻阻值成正比。,减小热噪声的措施,1、在微弱信号检测的低噪声电子设备中，常利用超低温技术来减小噪声。 2、在保证信号不失真传递的条件下，应尽量减小系统的频带。 3、提取信号的传感器电阻应尽可能小，避免增加额外的串联电阻。,（三）散粒噪声（Shot Noise） 在半导体器件中，载流子产生与消失的随机性，使得流动着的载流子数目发生波动，时多时少，由此而引起电流瞬时涨落称为散粒噪声。散粒噪声电流的均方
7、值为 其中q为电子电荷,q=1.5910-19C；IDC为器件的平均直流电流（A）；f为测量系统的频带宽度。,散粒噪声特性：,散粒噪声属于白噪声，其谱密度为2qIDC。散粒噪声与流过半导体PN结位垒的电流有关，所以三极管、二极管中，都存在散粒噪声的电流噪声机构。在简单的导体中没有位垒，因此没有散粒噪声。,第三节：描述放大器噪声性能的参数,解决如何定量评价一个放大器噪声性能的好坏？,等效噪声定义：,放大器内部的所有噪声源（包括外围电路），用与放大器输入端串联的阻抗为零的噪声电压源Un和与放大器输入端并联的阻抗为无穷大的噪声电流源In以及二者的相关系数C来等效，而放大器（或任何二端网络）本身便可视
8、为无噪声的。,Un意义,用于表示放大器能够测量的最小生物电信号的大小，作为放大器设计的性能指标参数,如何计算和测量Un参数?*,（二）噪声系数,定义：放大器总的输出噪声功率和源电阻在放大器输出端产生的热噪声功率的比值 意义：表示信号经放大器后，信号质量（即信噪比）恶化程度的度量,噪声系数与Un、In关系,由 ，可得的最小值对应的为：Rso称为最佳源电阻将so代入得：,噪声匹配：调整信号源的电阻使噪声系数最小,输出信噪比：,结论,1、最大的信噪比发生在Rs=0，因此最小的噪声系数并不一定有最大的输出信噪比。 2、噪声系数的价值在于比较不同放大器的噪声，并不适合作为放大器低噪声设计的依据。,多级放
9、大器的噪声,两级放大后总输出噪声功率Pno由三部分组成: （1）信号源内阻热噪声经过两级放大后为PnsAp1Ap2， （2）第一级内部噪声经过第二级放大后输出为Pn1Ap2 （3）第二级本身的噪声为Pn2。 总噪声功率输出Pno为Pno= PnsAp1Ap2 +Pn1Ap2 +Pn2,Pno=PnsAp1Ap2+（F1 -1）PnsAp1Ap2+（F2-1）PnsAp2 = PnsAp + （F1 -1）Pns Ap+ （F2-1）Pns（Ap Ap1）所以两级放大器总的噪声系数为：,结论：第一级放大器的噪声系数对总噪声系数的贡献最大，努力降低第一级的噪声，是实现低噪声设计原则,器件的噪声,一
10、、电阻的噪声,结论,1、电阻中都存在热噪声，只要R、T相同则热噪声就相同 2、合成碳质电阻器1/f噪声最大，金属膜和线绕电阻1/f噪声较小。,二、电容器的噪声电容器实际存在介质损耗，即电容器的漏电，相当于理想电容器两端并联一个电阻Rp，所以构成了电容器阻抗的实数分量，成为电容器的热噪声源;同时存在1/f噪声电容器损耗角选择原则：云母、瓷片、钽电容,三、场效应管的噪声 噪声源：1、沟道热噪声2、 栅极散粒噪声 3、 1f噪声,结论,1、低夹断电压Up、高跨导gm的场效应管，并工作在漏极饱和电流IDSS邻近，具有低噪声系数 2、一般场效应管栅源电阻RGS107,当RS0=RGS时有最小噪声系数，当
11、信号源电子高时，选用场效应管作输入级是理想的,双极晶体管的噪声,噪声源 （1）基区扩散电阻rbb的热噪声 （2）基极电流IB和集电极电流IC起伏产生散粒噪声 （3）基极电流IB流经基极一发射极耗尽区，产生1f噪声,为突出低频噪声源的作用，只考虑Un、In中的1/f噪声在最佳源电阻R0=rb时的最小噪声系数为：,结论： 为减小1/f噪声，应相应减小基区电阻并选择尽可能低的静态工作点,运算放大器的噪声,集成器件的噪声是组成它的各元件噪声的综合，通常以其输入端噪声参数Un、In表示,3低噪声放大器设计,低噪声放大器设计原则： 以低噪声为关键指标进行分析、计算和设计电路。放大器的增益、频率响应等非噪声
12、质量指标，则可在满足噪声要求的基础上进行调整,低噪声放大器设计程序： 1、根据噪声要求、源阻抗特性确定输入级电路 2、根据放大器要求的总增益、频率响应、动态范围、稳定性等指标设计后继电路，决定放大器级数及电路结构等,一、噪声性能指标用放大器输入端对地短路时的固有噪声Uni作为放大器的噪声性能指标,体表心电图： 10 v （0-250Hz) 体表希氏束电图 0.5 v (80-300Hz) 头皮电极脑电图 1 v (0-100Hz) 针电极肌电图 1 v （2-1000Hz) 脑诱发电位 0.7 v （0-10kHz) 眼电生理信号 0.5 v （01kHz),二、噪声匹配,调整Rs或使Un/I
13、n比值在已知的Rs附近，称为噪声匹配,噪声匹配原则,1、通过传感器提取信号时，传感器与放大器直接相连，由于各种传感器的阻抗不同，为实现噪声匹配，应选择适当的器件作为前置放大器的输入级。 2、输入级还与抗共模干扰有关，而高CMRR要求有较高的输入阻抗，因此对电极测量系统，选用场效应管和运放作为输入级是合适的。 3、噪声系数在源电阻一定的情况下，还可以通过调整静态工作点来达到噪声匹配。,多级放大电路的低噪声设计,总原则：多级放大系统中第一级噪声是主要的，但后面各级也贡献噪声。因此在多级放大系统设计时，必须严格考虑各级的噪声，包括偏置元件的噪声,实际设计原则： 1、使第2级及以后各级的等效输入噪声与第一级的噪声相比很小。 2、在满足其他噪声条件下，第一级增益应尽可能高 3、在有源器件负载允许的条件下，尽量选择低阻值的外回路电阻（尤其是输入级）,
